Vật lý quá trình cháy: Cơ chế khuếch tán và động lực học phản ứng

VẬT LÝ QUÁ TRÌNH CHÁY

Nếu B là một chất lưu ở trạng thái đồng chất, đẳng nhiệt, đẳng hướng và A là một chất khác có thể trộn cơ học toàn toàn trong B nhưng mật độ của A lại không đồng nhất. Tốc độ khuếch tán đo bằng mật độ dòng vật chất chuyển qua một đv bề mặt đẳng nồng trong một đv thời gian, wA [kg/(m2.s)], cịn gọi là dịng khối riêng khuyếch tán qua mặt đẳng nồng. Khi chất lưu chảy ổn định ở vận tốc (dịng tự do) v∞ dọc theo mặt phẳng rắn, ngay trên mặt rắn tồn tại lớp biên trong đó vận tốc thay đổi từ 0 đến vận tốc dòng tự do.

Chieàu dày lớp biên δ phụ thuộc vào khoảng cách L tính từ đầu tấm tới điểm đang xét, vận tốc dịng tự do v∞ và bản chất chất lưu, ước lượng theo công thức. Hệ gồm các phương trình bảo toàn (năng lượng, khối lượng, động năng, động lượng), các phương trình chuyển động và khuyếch tán, các phương trình tính chất vật lý và các điều kiện đơn trị. Tính chất vật lý: thể hiện qua các hệ số dẫn nhiệt, dẫn nhiệt độ, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng, độ nhớt … Vấn đề phức tạp là giá trị các hệ số này phụ thuộc vào nhiệt độ, và quan hệ là phi tuyến.

CHÁY NHIÊN LIỆU KHÍ

Nhiệt độ ngọn lửa đơn không phải là một giá trị cố định vì bản thân ngọn lửa đơn chiếm một không gian hạn hữu trong đó nhiệt độ thay đổi khá nhanh và phụ thuộc rất nhiều vào quá trình trao đổi nhiệt (bức xạ) với môi trường. Lửa mồi có thể là một xung cơ học để va đập hay ma sát 2 vật rắn, có thể là 1 ngọn lửa nhỏ, hay tia lửa điện … Lửa mồi nhỏ về năng lượng và qui mô kích thước nhưng phải dễ dàng tạo ra được với độ tin cậy cao thì mơi có thể dùng trong các thiết bị cháy. Nhiệt độ tự cháy (tự bốc lửa): đun nóng từ từ hỗn hợp trộn lẫn trước chứa trong một bình trung tính (thuỷ tinh hoặc sứ) [tại sao phải là bình chứa trung tính?], khi đạt tới 1 nhiệt độ nhất định hỗn hợp sẽ tự bốc cháy mà không cần tới lửa mồi.

Hiện tượng tự mồi lửa: Nếu hỗn hợp trộn trước được chứa trong một không gian cách nhiệt rất tốt và có nhiệt độ ban đầu cao hơn một giá trị nào đó thì nhiệt sinh ra do phản ứng cháy tuy lúc đầu cịn ít nhưng cũng sẽ cao hơn nhiệt tổn thất ra môi trường: (Qphản ứng sinh ra - Qtổn. Nếu hỗn hợp trộn trước cĩ tỷ lệ cháy tốt (quanh cân bằng hố học) nằm trong một không gian hẹp, giữa 2 mặt phẳng rắn chẳng hạn, có nhiệt độ môi trường bình thường, khi rút ngắn khoảng cách δ giữa hai tấm ta sẽ đạt tới giá trị δmin mà ngọn lửa không thể lan truyền được. Xét trường hợp ngọn lửa lan truyền trong một hỗn hợp cháy chứa trong một không gian giới hạn, từ phải sang trái như Hình 1, với phía phải là sản phẩm cháy, phía trái là hỗn hợp cháy.

Lý thuyết về lan truyền ngọn lửa tầng (không rối) - ổn định sẽ bao gồm hệ phương trình vi phân phi tuyến của bảo toàn vật chất, chuyển động chất khí, hóa động học phản ứng, truyền nhiệt và khuếch tán các phần tử từng chủng loại. Mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng của mình, nhưng tất cả đều bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như: bản chất nhiên liệu; tỷ lệ nhiên liệu/không khí; áp suất; nhiệt độ; và các chất khí độn không tham gia phản ứng cháy. Bước 2: Tính nhiệt phản ứng Q ở điều kiện thành phần hỗn hợp cân bằng đã biết ở bước 1 Bước 3: Dùng thành phần cân bằng trên bước 1 với các giá trị nhiệt dung riêng, ta tính giá trị vế trái phương trình (3.6).

Nhiệt độ thực: Thực tế ta chỉ đạt được nhiệt độ cực đại nhỏ hơn Tf do có tổn thất nhiệt hoá học (một phần ít nhiên liệu chuyển hoá không hết ra sản phẩm do cân bằng hoá học), tổn thất nhiệt do cách nhiệt không lý tưởng và cuối cùng là tổn thất qua các chất pha loãng (không tham gia phản ứng như N2 chẳng hạn). Hiện tượng cháy ngược vào trong vòi phun xảy ra khi vòi phun có đường kính lớn hơn nhiều so với khoảng dập lửa, hỗn hợp trộn lẫn trước phun ra khỏi vòi đã được mồi lửa ổn định, sau đó vận tốc dòng hỗn hợp giảm xuống dưới vận tốc lan truyền ngọn lửa. Trong các buồng đốt công nghiệp người ta bố trí các phương pháp ổn định nhiệt độ (vật phụ, lửa phụ …) cũng như khống chế tỷ lệ không khí, nhờ đó ổn định được ngọn lửa khi tốc độ phun cao, năng suất đốt cao.

Một mỏ đốt xác định vận hành ở chế độ đẳng áp nhưng dùng các loại khí khác nhau sẽ có cùng công suất nhiệt nếu có chỉ số Wu như nhau (khơng nhất thiết nhiệt trị các khí đĩ phải bằng nhau).

CHÁY NHIÊN LIỆU LỎNG 4.1 Các điểm chung

+ khuyếch tán khí từ bề mặt lỏng ra ngoài tới màng lửa, khí nóng dần thêm trên đường đi: Hối lượng và thời gian khuyếch tán tới màng lửa phụ thuộc bản chất nhiên liệu, nhiệt độ buồng lửa…. (a) Năng suất đốt (năng lượng giải phĩng ra trong 1 đơn vị thể tích trong 1 giây, J/m3) nhiên liệu lỏng tăng khi ta giảm kích thước hạt lỏng, tăng mật độ pha khí và tăng tốc độ trao đổi chất. (c) Mật độ nhiên liệu có giá trị cực đại ngay trên mặt lỏng và giảm xuống đến zero trong màng lửa cũng như phía bên kia màng lửa.

Mật độ oxy thì bằng zero ở trên mặt lỏng tới màng lửa, sau đó tăng lên cho đến giá trị của môi trường tự do phía ngoài. (d) Nhiệt độ cực đại có thể đạt được của ngọn lửa khuếch tán cũng bằng trường hợp ngọn lửa trộn lẫn trước. Do tốc độ cháy bụi lỏng tốt nên ta có khả năng điều khiển công suất và ổn định ngọn lửa dể dàng.

Hơn nữa hạt lỏng nhỏ hoá hơi nhanh nên phản ứng sẽ hết, tức là cháy sạch, không sinh khói và tạo muội trong buồng đốt. Các nguyên tắc sử dụng để biến bụi gồm: cơ học (phun dầu dưới áp suất cao qua đầu bét phun;. phun lên đĩa đang quay ở tốc độ cao…), khí nén, và hơi nước. Khí nén trong các mỏ đốt áp suất thấp cũng là nguồn cấp không khí sơ cấp cho buồng đốt.

Thông thường các vòi đốt dầu dùng khí nén hay hơi nước để biến bụi và quạt để cấp không khí (gió). Gió sơ cấp cấp một phần oxy và để tạo dòng xoáy ban đầu, gió thứ cấp cấp phần oxy còn lại (và dư hơn) đồng thời tạo xoáy mới có thể ngược với xoáy đầu, làm cho qua trình cháy triệt để hơn và ổn định hơn.

CHÁY NHIÊN LIỆU RẮN 5.1 Giới thiệu

Quá trình cháy than thực ra là cháy từng hạt trong một lớp hay trong một đám, do đó cần phải được nghiên cứu qua một hạt. + truyền nhiệt từ ngoài vào hạt than + phân huỷ phần chất bốc trong hạt + khuyếch tán chất bốc ra ngoài. + khuyếch tán oxy vào và phản ứng cháy + truyền nhiệt của phản ứng cháy ra xung quanh + chỏy khuyếch tỏn lừi carbon rắn cũn lại.

Quá trình cháy hạt nhiên liệu rắn trong chừng mực nào đó có thể nhìn nhận rất giống với mô hình nhiệt phân của hạt theo Nusselt. Các giả thiết cho mô hình này là hạt có hình cầu đường kính d0=2R, nhiệt độ ban đầu đồng đều T0 rồi tại thời điểm t≥0 bề mặt hạt đột nhiên được nâng nhiệt độ lên đến T∞ và giữ ổn định ở đó; các thông số vật lý của hạt xem đã biết và không đổi, nhiệt sẽ được dẫn vào trong hạt làm nhiệt độ tăng lên. Nếu nhiệt phân xảy ra ở nhiệt độ nhất định là Tp thì mặt có nhiệt độ này sẽ tiến vào tận tâm hạt sau một thời gian.

W = KP kg/s, trong đó Kp là hằng số phụ thuộc từng chất, W0 là khối lượng ban đầu của hạt. Tớnh noồ cuỷa buùi than: bụi than trong khụng khớ là hỗn hợp cú tớnh chỏy nổ cao, rất nguy hiểm. + Thủ công, ghi cố định, lớp than cố định; nạp thêm than, chỉnh gió và cào xỉ bằng tay + Bán thủ công, ghi xích.

Các hạt cháy trong tầng giả lỏng (tầng sôi), nhiệt độ lớp khá đồng đều. + Hệ thống nghiền than (kho bãi, tiếp nhận, tải, nghiền, kho chứa..) + Hệ thống làm nóng không khí và quạt gió. Đốt bụi than ứng dụng trong các nhà máy nhiệt điện hiện đại, nó có công suất lớn, hiệu suất cao, điều khiển tốt.